刃入時序對翻邊回彈的影響及原因分析、改善情況

文/馬驥飛，武俊·天津汽車模具股份有限公司技術中心

刃入時序對翻邊回彈的影響及原因分析、改善情況

文/馬驥飛，武俊·天津汽車模具股份有限公司技術中心

馬驥飛，技術分公司品質科科長，工程師，碩士學歷，2007年畢業至今主要從事汽車模具的工藝設計、數值模擬分析、制件調試跟蹤和品質提升等工作，通過CAE模擬計算為車間調模降低成本，并通過與車間的良好配合，解決了一系列制造調試過程中的問題。

通過模擬幾種常見的多料翻邊和少料翻邊的不同刃入時序的回彈，分析結果，找到規律。并通過分析應力狀態及翻邊過程，收集了不同刃入量的情況，得出結論：先后刃入對少料翻邊效果較好，對多料翻邊效果不明顯。刃入量落差與回彈量變化呈非線性正相關。

金屬板料成形是現代工業中的一種重要加工方法，在汽車行業有著廣泛的應用。當今汽車的車身為減小風阻，造型美觀，越來越多運用弧形元素。外覆蓋件會大量應用弧形面和弧形邊界。翻邊成形又是板料成形工藝中重要的成形方法，對零件進行翻邊既可以獲得光滑的圓角，又能夠提高零件的剛度，使其在復雜的工作條件下有足夠的剛性來抵御各種變形與振動，此外還可利用翻邊形成的豎邊和其他零件進行裝配合邊等。但當弧形區域翻邊時，給成形造成一定困難，翻邊后由于邊緣展長發生變化，有應力產生，進而發生回彈。

根據以往學者的研究結論，翻邊板料可分為不變形區（壓料面）、圓角區和主變形區（豎邊部分）。翻邊時壓料面不變形，主變形區雙向受拉或受壓，主應力為周向應力和徑向應力，進而產生周向應變和徑向應變。卸載后，制件在殘余應力作用下會發生回彈。我們有多種方法控制翻邊產生回彈，比如在邊界增加工藝缺口以釋放部分應力；拉延序做過拉延，減小翻邊量以減小翻邊應力；型面按回彈的數值做反向補償等。改變翻邊鑲塊刃入時序，即先后刃入，是改善回彈方法中模具更改量最小，模具調試中最常用的一個方法。本文將探討刃入時序對幾種翻邊情況（多料翻邊和少料翻邊）的回彈影響，并初步探討其原因。

模擬試驗

模擬的基本建模情況

圖1，圖2，圖3分別為模擬中的下模、上模鑲塊和基本模型的情況，用正交試驗的方式，模擬四種下模分別對應四種上模的回彈情況，也就是說，試驗樣本為16個。下模型面和棱線圓弧均為R1500，圓角R3。上模翻邊鑲塊圓角R3，先后刃入時，先后刃入落差都為15mm。也就是觸料最早和最晚的落差為15mm。坯料采用DC04，料厚為0.8mm，上型基準。圖4為坯料材料參數。

圖1 模擬的四種下模形狀

圖2 模擬中的四種翻邊鑲塊形式（以類型1為例）

圖3 模擬基本模型

模擬結果匯總

表1為模擬結果匯總，表中回彈量的數值采集自靠近翻邊棱線的區域，兩頭找一個絕對值最大的值，中間區域找一個絕對值最大的值，正值代表向上彈，負值代表向下彈。然后兩頭的值減去中間的值。這樣最終的值如果是正值，則說明是中間凹，兩頭翹的趨勢：負值則說明是中間凸，兩頭低，數值的絕對值越大，說明回彈越厲害。

對比表中回彈量數值，可以發現，多料翻邊（類型1，類型3）同時刃入的回彈是中間凹，兩頭翹的狀態，這兩種類型的翻邊，各種刃入時序變化對其回彈量和回彈分布都沒有太大影響，從云圖看顏色基本一致。從數值看，有點效果的改善量也就在10%左右。換句話說，彈10mm能回來1mm。

少料翻邊（類型2，類型4）同時刃入的回彈都是中間高，兩頭低。無論哪種先后刃入的方式，回彈均有明顯改觀。從云圖上看，幾種先后刃入方式的云圖都變成中間藍綠，兩頭紅，也就是中間凹兩頭翹，兩頭先刃入和中間先刃入的效果在翻邊面附近的區域相似，在遠離翻邊面的區域顏色分布有區別。對類型4來說，這兩種刃入都使回彈分布呈波浪分布，而不是單曲率的樣式。波浪刃入的變化最為明顯，趨勢幾乎與同時刃入完全相反。從數值上看，都從負值變為正值，兩頭先刃和中間先刃的數值很接近，而波浪刃入的回彈數值改變最為劇烈。由此可見，波浪刃入對少料翻邊回彈改善的效率更高。

原因分析

應力分析

由于翻邊回彈的產生是翻邊面上周向應力的作用。如果回彈發生改變，勢必是應力發生改變引起的，我們可以對比下不同刃入對應力的影響。

圖4 DC04基本材料參數

表1 模擬結果匯總

我們先看刃入時序對回彈影響大的少料翻邊。以類型2為例。

圖5分別為類型2幾種不同刃入的翻邊面上的應力分布對比。其中白色區域應力為負值，藍色到紅色應力為正值且逐漸增大。

由圖5可發現，同時刃入時應力分布均勻，基本上是中間最大，兩邊最小。且應力全為正值，也就是拉應力。而先后刃入改變了應力狀態，應力不再均勻，而是呈波浪分布，壓應力和拉應力交替出現，且應力數值都明顯減小，由紅黃色為主的色調轉為藍白色為主。綜合表1和圖5的結果，可以發現，拉應力的顯著降低導致回彈量的變化。在波浪刃入情況下，壓應力區域大于拉應力區域，導致回彈趨勢發生了反轉。

圖5 類型2不同翻邊時序時的應力分布

圖6 類型1不同翻邊時序時的應力分布

我們再看多料翻邊的情況。以類型1為例。

圖6分別為類型1幾種不同刃入的翻邊面上的應力分布對比。其中白色區域應力為負值，藍色到紅色應力為正值且逐漸增大。

由圖6可見，同時刃入時應力分布均勻，以壓應力為主，幾種刃入方式都沒有明顯改變應力的數值和分布。只是把原來較多小片的壓應力區域變為幾處大一點的壓應力區域。色調沒有明顯變化。綜合表1和圖6的結果，可以發現，應力沒有顯著變化。所以對回彈也沒有明顯改變。

翻邊過程分析

我們再看下翻邊過程。圖7為類型1翻邊過程中板料失穩而發生起皺的情況。圖8為類型1兩邊先刃入翻邊過程中起皺狀況。可見，兩邊先刃并不是想象中的可以將起皺往中間趕，起皺會隨翻邊的進行逐漸產生，而不是集中在中間產生。且起皺明顯比同時刃入大，但起皺個數少。

我們再看過程中的應力分布。由圖9可見，在兩邊先刃入翻邊過程中，端頭料先翻下去，中間料處于未觸料狀態，在觸料面附近的一段料始終受壓應力（圖9中白色區域），當所受壓應力大于其所承受極限時，就發生起皺，在“趕料”的過程中，上模鑲塊經過的板料都在逐漸失穩，起皺，產生壓應力，最終形成圖6的應力分布。

圖10與圖11為中間先刃入的情況，與上述情況類似，起皺隨著翻邊經過的地方逐步形成，而不是被趕到兩端去。可見，對多料翻邊來說，先后刃入只是改變了起皺的時間，將很多小皺變成幾個大皺，但總的壓應力大小和總體分布沒有大的變化，所以回彈狀態也沒有明顯變化。

圖7 同時刃入翻邊過程中起皺狀況

圖8 兩邊先刃入翻邊過程中起皺狀況

圖9 兩邊先刃入翻邊過程中應力分布狀態

圖10 中間先刃入翻邊過程中起皺狀況

圖11 中間先刃入翻邊過程中應力分布狀態

而對于少料翻邊，先后刃入也會出現起皺的情況。同時刃入時無起皺現象，而先后刃入時，不管哪種方式，翻邊過程均有起皺現象。圖12為不同翻邊時序的起皺狀態。少料翻邊在同時刃入翻邊過程中，無壓應力產生。但在先后刃入時，均在觸料點附近出現白色區域，即壓應力。出現的壓應力極大的改變了整體應力狀態，導致回彈的顯著變化。圖13為類型2不同翻邊時序的應力狀態。

圖12 類型2不同翻邊時序的起皺狀態

圖13 類型2不同翻邊時序的應力狀態

改變刃入量的情況

以上結果和分析，全建立在先后刃入量為15mm的基礎上，如果加大刃入量落差，情況是否有變化呢？

多料翻邊刃入量落差加大情況

以類型1為例，將先后刃入量落差加大到80 mm，只看兩頭先刃入和中間先刃入兩種情況。圖14和圖15分別為類型1兩頭先刃入和中間先刃入落差80mm后的應力分布與回彈值。

由圖14、圖15及表1的結果，可以發現，增大刃入量落差對回彈幾乎無影響，對應力分布也無大的改變。

少料翻邊刃入量落差加大情況

對少料翻邊也做同樣試驗，以類型2為例，將先后刃入量落差加大到80mm，只看兩頭先刃入和中間先刃入兩種情況。圖16和圖17分別為類型2兩頭先刃入和中間先刃入80mm后的應力分布與回彈值。

圖14 類型1兩邊先刃入落差80mm后的應力分布與回彈值

圖15 類型1中間先刃入落差80mm后的應力分布與回彈值

圖16 類型2兩頭先刃入80mm后的應力分布與回彈值

圖17 類型2中間先刃入80mm后的應力分布與回彈值

由圖16、圖17及表1的結果，可以發現，增大刃入量落差對少料翻邊回彈影響較大，對比刃入落差15mm的情況，回彈量幾乎翻倍。但相對于刃入量落差增大5倍多，回彈量增加不到一倍，可見其關系非線性。

波浪刃入的情況

由上文可知，兩頭先刃入和中間先刃入的刃入量落差和回彈量呈非線性正相關，波浪刃入是否有一樣的規律呢？

以類型4為例，將波浪刃入的刃入量落差分別做到3mm、6mm、10mm、15mm和20mm，觀察其回彈量。圖18為類型4波浪刃入不同落差下的回彈值圖示，圖19為類型4波浪刃入落差和回彈值的關系。由圖18和圖19可見刃入量落差和回彈量的關系呈拋物線型，落差超過10mm后，回彈基本上無大變化。另外，從圖19中可見，只需3mm的刃入量落差，就可以將1.8mm的回彈量控制在0.3mm以內，效率遠高于另兩種先后刃入方式。

圖18 類型4波浪刃入不同落差下的回彈值

圖19 類型4波浪刃入落差和回彈值的關系

結束語

結合上文分析，得出以下結論：

⑴先后刃入的過程都是產生壓應力即起皺的過程。且兩邊先刃入與中間先刃入的壓應力分布無明顯不同，不存在將起皺趕到兩邊或中間的情況。即使增大刃入量也不會影響起皺的分布趨勢。

⑵對于多料翻邊（類型1、類型3），各種刃入時序變化對其回彈量和回彈分布都沒有太大影響。增大刃入量也是如此。

⑶對于少料翻邊（類型2、類型4），無論在哪種先后刃入的方式下，均有明顯改觀，且兩頭先刃入和中間先刃入效果相似，波浪刃入對少料翻邊改善的效率更高。

⑷少料翻邊對先后刃入的刃入量落差敏感。刃入量落差與回彈量變化呈非線性正相關，當刃入量落差到一定程度時，回彈量將不再變化。